[发明专利]一种改进的相位载波PGC解调方法及系统

说明书

本发明公开了一种改进的相位载波PGC解调方法及系统，涉及光纤干涉仪测量领域，解决了由于MZ结构两臂的载波信号与扰动信号之间产生的时间延迟和干涉信号因模数转换会与倍频信号发生不同步的问题，其技术方案要点是基于马赫‑曾德尔干涉结构，在干涉仪后端连接3×3耦合器输出三路干涉信号，对输出的其中两路信号进行数学变换作为基频信号和二倍频信号，另一路作为待解调信号，使混频信号和待解调信号从干涉仪中同步输出，并使用PGC解调反正切算法进行小信号解调，本发明的方法及系统两路混频信号不需要在光路或算法中额外引入，降低了结构复杂度，减小相位偏移和直流漂移对解调的影响。

技术领域

本发明涉及光纤干涉仪测量，特别涉及一种改进的相位载波PGC解调方法及系统。

背景技术

光纤传感器具有稳定性好、应用场景比较灵活、可靠性高等特点，所以广泛应用于高温、易燃易爆易腐蚀等恶劣环境中。其中，马赫-曾德尔作为干涉型的分布式光纤传感系统，其高灵敏度和准确定位外部扰动的优势被广泛应用于周界安防领域。目前，信号解调是光纤传感器系统的一个重点研究方向，而干涉法解调是最常用的解调方法之一，其中包含有3×3光纤耦合器解调法与相位生成载波解调法。3×3耦合器的缺点是输出受光强不稳定和偏振态衰落影响，导致三路输出相位不成120°，解调效果不理想。而PGC解调技术有利于远距离传送信号的全光纤化的特点，而且该技术相比于3×3耦合器解调对低频环境更加敏感，可用于解调1Hz以下的扰动。干涉型光纤水听器就是依靠PGC解调技术在工程领域得到广泛应用，它结构简单，便于复用，同时利用解调算法可以消除光强扰动和调制深度的影响，在遥感定位、无源检测中等方面有广阔前景。

PGC算法优点在于低噪声且对低频信号响应好，但是在马赫曾德尔(MZ)干涉结构中由于MZ两臂不能保证等长，使载波信号与扰动信号之间易产生时间延迟且干涉信号因模数转换会与倍频信号发生不同步问题，而且两路倍频信号需要在光路或算法中额外引入，增加了结构复杂性。清华大学张敏等人在基于PGC原理的光纤水听器在降噪方面对此作了深入的研究，包括独立水听器与复用水听器阵列。美国海军实验室的Michael Amaral等人提出的水听器校正系统对PGC如何抑制直流漂移作了分析。但是，他们都没有针对时延问题和相位漂移抑制作出分析。中船715研究所谢勇提出一种便携式多功能光纤水听器信号解调方法将PGC解调方法与3×3固定相移解调方法固化到一个装置中，不过该方法还需要实时考虑耦合器对称性，所以在实用性方面增加了难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的相位载波PGC解调方法及系统，解决了由于MZ结构两臂的载波信号与扰动信号之间产生的时间延迟和干涉信号因模数转换会与倍频信号发生不同步的问题，并且能减小相位偏移和直流漂移对解调的影响。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种改进的相位载波PGC解调方法，包括有以下步骤：

激光光源基于马赫-曾德尔干涉结构产生初始扰动信号和载波信号；

初始扰动信号和载波信号通过3×3耦合器输出三路信号，分别进行变化作为干涉信号、基频信号及二倍频信号；

将三路信号经对应滤波器及运算，得到最终的扰动信号。

作为优选，具体步骤如下：

两个电压陶瓷在电压驱动下，在马赫-曾德尔干涉仪中分别产生初始扰动信号和载波信号；

通过干涉仪末端连接的3×3耦合器输出三路信号，其中得到一路干涉信号，对输出的另外两路信号进行数学变换作为基频信号和二倍频信号；

将基频信号和二倍频信号分别与干扰信号进行混频并经过低通滤波器，利用反正切算法和高通滤波器运算，最终得到所需检测的扰动信号。

作为优选，光电探测器通过3×3耦合器输出三路信号分别为

第一路信号：